热力焚烧炉焚烧丙烯腈废液探索及应用

顾俊璟

（科益实(上海)工业技术有限公司，上海 200082）

丙烯腈是一种重要的化工基础原料，在高分子材料如合成纤维、合成橡胶、合成塑料等中用途广泛。腈纶、丁腈橡胶、合成树脂、丙烯酰胺以及己二腈等化工产品均可由丙烯腈生产制造而来，但在丙烯腈生产的过程中，大量含有剧毒物质的废液会伴随产生，如氢氰酸、乙腈、丙烯腈、硫酸铵等，组分复杂且具有毒性，直接排放严重破坏生态环境，危害人们生活。

随着环境问题受到人们越来越多的关注，选择合适且有效的方法对丙烯腈废液进行处理，将剧毒物质转变为无害物质，最大程度降低对环境造成的危害，促进自然生态环境可持续发展，成为人们生活的迫切需求。

丙烯腈废液处理方法有生化法、焚烧法、化学法、湿式催化氧化法等，目前国内丙烯腈各生产厂家，普遍采用焚烧法，焚毁去除率可达99.99%。焚烧后产生的高温净化烟气配套余热回收、除尘、脱硝、脱硫等装置，彻底实现污染物的零排放，并副产蒸汽达到节能降耗的目的。

1 丙烯腈生产工艺及其废液来源

1.1 丙烯腈生产工艺

丙烯腈的生产法在国内主要使用丙烯氨氧化法，是以丙烯、氨气和空气中的氧为原料，在催化剂的作用下，反应生成丙烯腈和水。

1.2 丙烯腈生产废液来源

丙烯腈废液主要是来自急冷塔和脱氰组分塔的废液，在一段急冷塔，用水洗去反应气中的聚合物和催化剂粉尘，该段污水经催化剂沉降后，产生高浓度含氰废液。反应气经一段急冷塔洗涤后进入二段急冷塔，用稀硫酸洗涤以吸收反应中的氨，二段急冷塔排出的废液为二段急冷塔废液（硫氨废液）。

1.3 环保达标排放

2 焚烧法和氮氧化物控制

2.1 焚烧法

焚烧法被业内广泛认为是处理丙烯腈废液简单直接且有效的方法，后续配套余热回收、除尘、脱硝、脱硫等工艺手段，可以满足烟气达标排放的要求，还能通过余热回收副产蒸汽达到节能降耗的目的。焚烧炉是实现焚烧法的核心设备之一，将含有剧毒物质的丙烯腈废液喷入炉膛内，辅以燃料油或者燃料气，通过鼓风机补入新鲜空气帮助充分燃烧，使丙烯腈废液中的有毒有害物质在高温下完全氧化，分解生成水、二氧化碳、氮气等无害物质。

焚烧法工艺流程框图见图1。

图1 焚烧法工艺流程框图

鼓风机提供废液、废水、废气以及燃料油或者燃料气充分燃烧所需的助燃空气。根据作用的不同，空气还可以分为助燃空气和冷却空气，助燃空气提供燃料燃烧所需的空气，冷却空气提供焚烧炉出口温度以及氧浓度调节所需的空气。

焚烧炉提供氧化分解丙烯腈废液所需的温度场所，一般设计为绝热炉膛结构，内部有耐高温的浇注料，按照3T原则（Temperature-热分解温度；Time-停留时间；Turbulence-气体在炉内的湍流）进行设计和制造。在运行温度≥1 100 ℃，停留时间≥2 s，良好的烟气湍流设计的条件下，焚毁去除率可以轻易的高达99.99%。

锅炉用于回收焚烧炉出口高温烟气中的热量，产生饱和蒸汽或者过热蒸汽，由管路送出界区并入主装置蒸汽管网。锅炉本体主要由下列六部分组成：炉膛、锅筒、蒸发段（产生饱和蒸汽）、过热段（产生过热蒸汽）、省煤段、炉墙。根据管子里面介质的不同，锅炉可分为水管锅炉和火管锅炉。当水在锅炉管内流动，管外高温烟气对水管内的水进行加热，产生蒸汽或热水时，为水管锅炉。当高温烟气在锅炉管内流动，对管外的水或汽水混合物进行加热，产生蒸汽或热水时，为火管锅炉。

除尘器用于去除烟气中的颗粒物，如废液中的聚合物和催化剂粉尘等物质，根据焚烧炉出口烟气量的大小，设置单个或者多个除尘仓。仓内含有多个套有纤维滤袋的滤管，当烟气经过时，其中的颗粒物被拦截在滤袋表面，烟气穿过滤袋，达到除尘的目的，过滤效果可达99.9%。经过一段时间除尘后，使用空气反吹系统对滤管进行吹扫，通过程序设定时间或者压力启动脉冲喷吹阀喷吹，使滤袋径向变形，抖落灰尘到除尘仓下部。除尘器底部灰斗侧壁与水平面设计一定夹角，并设置空气炮和仓壁振动器等，用以防止烟气凝结导致设备腐蚀和飞灰结块。每个灰斗配备插板阀和星形卸灰阀，通过螺旋输送机，保证灰分顺利排出。为延长滤袋的使用寿命，可在除尘器内部设进风导流板，使进入除尘器的含尘气体均匀分布到每个滤袋，有效防止清灰过程中滤袋间的碰撞和摩擦。

脱硝有选择性非催化还原法（SNCR）和选择性催化还原法（SCR）两种方法，其原理是往含有氮氧化物的尾气中喷入还原剂，与其中的氮氧化物发生还原反应，生成氮气和水。还原剂可以为氨气、氨水或者尿素中的一种。选择性非催化还原法（SNCR），不需要催化剂，但反应需要在较高的温度范围（850～1 040 ℃）内进行，其脱硝率偏低，为40%～60%。选择性催化还原法（SCR），需要催化剂，可在较低的温度范围（200～400 ℃）内进行，其脱硝率高，可达90%。针对丙烯腈废液中氮含量高的特点，可采用SNCR和SCR组合的方式对废液产生的氮氧化物进行处理。在焚烧炉的高温区域内设置SNCR段，先去除一部分的氮氧化物，经过余热回收以及除尘后，再设置SCR段，将其余的氮氧化物全部去除。

随着“一带一路”倡议的不断深入，越来越多的中资企业参与到海外电力投资中，企业应充分认识到风险与收益是并存的，在加快推进海外投资步伐的同时加强风险管控，将风险管控作为海外投资的一项重要成本在前期费用中予以充分考虑。做足做实尽职调查工作，认真研判协议分担、风险自留、保险转移与风险避免等防控手段，并在项目后期做好风险的动态跟踪，多措并举，将项目风险防控落到实处。

脱硫有干法脱硫和湿法脱硫两种方法。干法脱硫附带产生固体排放物，而湿法脱硫附带产生废水。湿法脱硫的脱除率较高，如果后续有污水处理设施，可以选择湿法脱硫。

焚烧炉的技术指标应满足标准GB18484-2020＜危险废物焚烧污染控制标准＞的要求，包括：焚烧炉高温段温度≥1 100 ℃，烟气停留时间≥2.0 s，烟气含氧量（干烟气，烟囱取样口）在6%～15%范围内。总体来说，炉膛温度越高、炉内供氧越充分、物料在炉内滞留时间越长，有机物就会分解的越充分。焚烧后通过烟囱排入大气的污染物需执行浓度限值要求，主要包括：颗粒物≦20 mg/m3，一氧化碳≦80 mg/m3，氮氧化物≦250 mg/m3，二氧化硫≦80 mg/m3（限值均为基准氧含量排放浓度）。选择如除尘、脱硝、脱硫等设备，处理烟气中的颗粒物、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等污染物，以满足达标排放的要求。

2.2 氮氧化物控制

丙烯腈废液燃烧会产生大量的氮氧化物，包括两个方面：一是燃烧时高温条件下助燃空气中氮原子的氧化；二是废液中所含氮基物在燃烧过程中分解氧化生成。根据氮元素所处的环境温度、氧气富裕度、停留时间的不同，大致可以分为“燃料型”“热力型”和“快速型”三种。

（1）燃料型。稳定存在于废料或者燃料中的氮，但在燃烧时被分解出来，经过氧化生成；

（2）热力型。来源于空气中的氮气，与氧气在高温下反应生成，主要集中在燃烧器所在的高温区域；

（3）快速型。燃料中的碳氢化合物在高温分解时产生的碳氢自由基与空气中的氮气发生反应，形成CN、HCN，在极短的时间内，再进一步与氧气作用生成NOx。

采取燃烧控制技术来抑制氮氧化物的生成，大致可以分为：

（1）空气分级燃烧技术。燃料在正常条件下需要一定过量比的空气才能充分燃烧，产生燃烧区域高温段。将空气进行分级，减少燃烧区域的空气量，导致过剩空气系数＜1，燃料不能完全燃烧，燃烧区域温度降低，减少热力型的生成；

（2）燃料分级燃烧技术。将燃料进行分级，从燃烧器内部的不同位置喷入炉膛，减少燃烧区域内热点面积，降低燃烧区域的峰值温度，从而降低氮氧化物的生成量；

（3）烟气再循环技术。将处理后的低温烟气循环送入炉膛或与空气混合后送入炉内，由于烟气的温度和氧气浓度都很低，不仅能够降低燃烧区域的整体温度，而且能够降低燃烧区域的氧浓度，从而最终降低氮氧化物的生成量。

丙烯腈装置废液中带有很多含氮的有机物，在燃烧过程中这些化合物会产生大量的氮氧化物。因此，燃烧控制技术被广泛运用到废液焚烧炉的设计中，以满足达标排放的要求。

3 焚烧炉在丙烯腈废液的应用

3.1 国内应用业绩

截至2018年，在运丙烯腈装置废液焚烧装置包括：吉林石化一期/二期/三期、赛科一期/二期、安庆石化一期/二期、大庆石化、大庆炼化、兰州石化、抚顺石化、山东科鲁尔、斯尔邦一期等。

3.2 技术比较

国内采用废液焚烧技术处理丙烯腈的有美国PCC公司、TSK 公司及中国台湾凯鸿公司等，近年新建丙烯腈装置配套废液焚烧炉基本采用美国PCC 公司技术，实践效果良好，能够实现余热回收及现行国家环保排放要求。

3.3 氮氧化物控制

采用美国PCC技术的上海赛科一期丙烯腈装置的废液焚烧炉，被分为还原段、氧化段和SNCR三个部分。

还原段为立式圆筒形，将废液用喷枪注入炉膛，控制好空气与废液量的配比，保证废液在进入炉膛后在还原段进行高温贫氧焚烧，还原段出口温度在950℃左右，高温燃烧区（还原段顶部区域）温度可达l 300 ℃以上。

氧化段为卧式圆筒形，来自还原段的高温烟气中尚存少量有机物，在氧化段入口与再次注入的助燃空气混合，在富氧状态下进一步燃烧，以保证所有未燃尽的可燃物完全燃烧干净，出口温度一般在900℃左右。

SNCR为选择性非催化还原段，通过安装在炉体上的10支氨水喷枪将氨水喷入炉膛与高温烟气均匀混合，氨与氮氧化物在高温下发生还原反应，将其分解成氮气和水。

3.4 成本比较

对比上海石化公司6×104t/年丙烯腈装置直排法处理与13×104t/年丙烯腈装置高温焚烧处理消耗定额发现，将焚烧技术与高温烟气能量回收系统相结合，能够使得总能耗只有直排法的49%。

目前国内丙烯腈行业仍有部分在运装置采用老式直筒焚烧炉处理废液，不能对焚烧产生的废热进行有效利用，不仅造成经济上的巨大浪费，也不能满足工业装置节能的要求。

4 结语

随着国家对环保的要求及人民对环境的要求日益提高，作为丙烯腈装置核心环保装置之一，废液焚烧炉的重要性不言而喻，一方面，积极推进未实现达标排放的丙烯腈生产厂家加快改造进度，从而实现环保达标排放，另一方面，制定完善的排放相关法律、法规，对工业企业会起到良好的限制性作用。全面控制污染物的排放，做好环境管理的实施，以解决环境污染问题，促进自然生态环境可持续发展。